基于双谐振器的MEMS压力传感器，实现高精度和高分辨率的高压测量
2025-06-15 15:27:27   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

海洋科学、石油工业、井下钻探及气体传输等领域对高精度、高分辨率的高压测量的需求日益增长，MEMS压力传感器有望在这些领域得到广泛应用。在目前的研究中，压阻式和电容式MEMS压力传感器具有结构简单、成本低廉等优点，通过改变膜片或空腔的尺寸或形状，已被应用于大量程的压力测量。然而，这些MEMS高压传感器在整个压力和温度量程范围内普遍存在精度不足的问题。作为替代方案，谐振式MEMS压力传感器则具有高精度和高分辨率的优势，为高压测量开辟了新的可能性。

据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院空天信息创新研究院的研究团队开发了一种基于体积压缩敏感、微梁支撑双谐振器结构的硅基谐振式MEMS压力传感器。在工作过程中，当MEMS压力传感器的体积在高压下压缩时，谐振器的频率会发生偏移。一对微梁被用于支撑谐振器，并防止其在高压下发生屈曲。同时，研究人员建立了微梁的理论模型，根据微梁几何参数与谐振器压力灵敏度之间的表达关系，对两个谐振器的微梁进行了差异化设计，使其具有不同的压力灵敏度，从而实现了有效的温度自补偿。

在20 °C条件下，所制备的MEMS压力传感器的灵敏度为：谐振器I为0.003 kHz/MPa（约为30 ppm/MPa），谐振器II为−0.118 kHz/MPa（约为−1311 ppm/MPa），与理论分析相符。最后，在−10 °C至50 °C温度和0.1至70 MPa压力范围内，结合温度自补偿功能的MEMS压力传感器的精度优于0.01% FS，响应时间优于10 ms，分辨率可达100 Pa。上述研究成果以“A 70 MPa silicon resonant pressure microsensor with resonators supported by micro beams based on volume compressed sensing”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

图1a展示了MEMS压力传感器的整体结构设计，主要由两部分组成：绝缘体上硅（SOI）晶圆和作为封盖的硅晶圆。微梁支撑结构与谐振器位于SOI的器件层中。具体而言，包括用于温度补偿、对压力不敏感的谐振器I，以及对压力敏感的谐振器II，此外还包括微梁支撑结构以及驱动和检测电极。谐振器通过微梁支撑与锚连接（图1b）。硅封盖与SOI的器件层通过Au/Si共晶键合实现真空封装。硅通孔刻蚀在衬底层以连接器件层上的焊盘，从而实现电气连接。

图1 MEMS压力传感器的结构设计和体积压缩敏感原理

图1c展示了体积压缩敏感原理。谐振器通过微梁支撑与锚连接，不同于膜片式感知方式，这里的锚点同时与SOI的衬底层和硅封盖进行键合。谐振器与吸气剂仅占据很小的腔体空间，腔体尺寸尽可能地被最小化，从而使整个MEMS压力传感器在承受压力时能够整体发生压缩，而不会像膜片那样产生局部变形，传感器内部形成均匀的应力场，进而引起两个谐振器的频率偏移。

图2a展示了采用体硅工艺制造谐振式MEMS高压传感器的流程。如图所示，步骤i至vi包括深反应离子刻蚀（DRIE）、氧化层去除以及共晶键合。图2b显示了谐振器的结构，图2c则为谐振器的横截面图。此外，图2d和2f分别展示了两个谐振器所采用的不同微梁结构。随后，在步骤vii和viii中，通过气态氢氟酸和Au/Cr掩模制备了作为应力隔离结构的图案化BF33晶圆。该应力隔离结构通过晶圆阳极键合方式与硅封盖结合，最终形成的晶圆级谐振式MEMS压力传感器被切割成单个芯片，成品微型传感器如图2e所示，尺寸为3.3 mm × 3.3 mm × 1.6 mm。

图2 MEMS高压传感器的制造工艺和图像

为了验证所开发的MEMS压力传感器的特性并提升其环境适应性，将其采用油填充（oil-filled）封装（图3a）。随后，研究人员利用测试系统（图3b）对该传感器进行了测试。所使用的活塞式压力计（BHY-160B）可提供高达70 MPa的液压压力，精度为0.005%。温度试验箱（SU-262）用于提供不同的温度环境条件。MEMS压力传感器将两个谐振器的频率以及压力数据回传至主控计算机。图3c和3d分别展示了MEMS压力传感器在0.1 ~ 70 MPa压力范围和−10 ~ 50 °C温度范围内的压力灵敏度及温度扰动特性。在20 °C条件下，谐振器I的压力灵敏度为0.003 kHz/MPa（约30 ppm/MPa），谐振器II的压力灵敏度为−0.118 kHz/MPa（约−1311 ppm/MPa）。两个谐振器的温度扰动分别为−1.270 Hz/°C（约−12.2 ppm/°C）和−0.943 Hz/°C（约−9.75 ppm/°C）。

图3 MEMS压力传感器的油填充封装与压力灵敏度和温度扰动特性

MEMS压力传感器在不同温度条件下（−10 °C、20 °C和50 °C）的测量误差如图4b所示，在这些温度下其精度优于0.01%FS。微型压力传感器的响应特性如图4c所示。在20 °C条件下，微型压力传感器的分辨率可达100 Pa（图4d）。

图4 MEMS压力传感器的精度、响应时间和分辨率

综上所述，这项研究设计、制造了一种基于体积压缩敏感的双谐振器结构的谐振式MEMS高压传感器，并对其进行了实验表征。MEMS压力传感器中的两个谐振器在受压状态下展现出不同的压力灵敏度，可实现温度自补偿功能。所开发的MEMS压力传感器的特性与设计规格相符，在−10至50 °C的温度范围和0.1至70 MPa的压力范围内，测量精度达到了0.01% FS。此外，通过油填充的隔离结构，MEMS压力传感器可适应复杂的液压测量环境。结果表明，基于体积压缩敏感与微梁结构的谐振式MEMS压力传感器具有高强度、高精度、优异的分辨率及充足的动态性能等优势。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00957-9

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